Бетонные блоки (КМУ): история, материалы, дизайн и современные инновации

---

Общие сведения

Бетонный блок, также известный как бетонный камень стены (КМУ), — это основной строительный материал для возведения стен. Эти готовые блоки формируют и отвердевают на заводе перед транспортировкой на стройплощадку. Большинство блоков имеют одну или несколько полых полостей, а их внешние поверхности могут быть гладкими или текстурированными для эстетической привлекательности. При строительстве блоки укладывают поштучно и связывают свежим цементным раствором, создавая стены любой желаемой длины и высоты.

Цементный раствор инженеры используют с римских времен, с доказательствами его применения в 200 г. до н.э. Малые готовые бетонные блоки появились в 37–41 гг. н.э. при императоре Калигуле gần современного Неаполя, Италии. После падения Римской империи эта технология угасла до 1824 года, когда английский каменщик Джозеф Аспдин изобрел портландский цемент, фундаментальный компонент современного бетона.

Первый полый бетонный блок спроектировал в 1890 году Хамон С. Палмер в США. Десятилетие экспериментов привело к патенту 1900 года. Блоки Палмера измеряли 8 дюймов (20,3 см) на 10 дюймов (25,4 см) на 30 дюймов (76,2 см) и были настолько тяжелы, что для их укладки требовался небольшой кран. К 1905 году примерно 1500 американских компаний производили бетонные блоки.

Раннее производство было ручным, давая около десяти блоков на рабочего в час. Современные автоматизированные процессы способны производить до 2000 блоков в час, что драматически повышает эффективность.

Сырьё

Стандартная бетонная смесь для блоков состоит из портландского цемента, воды, песка и щебня. Эта смесь дает светло-серый блок с мелкой текстурой и высокой предельной прочностью на сжатие. Типичный вес блока варьируется от 38 до 43 фунтов (17,2–19,5 кг). Смесь для блоков содержит больше песка и меньше щебня и воды, чем обычный строительный бетон, что приводит к сухой, жесткой смеси, удерживающей форму после формовки.

Замена песка и щебня гранулированным углем или вулканическим шлаком дает шлакоблок — темно-серый блок средней или крупной текстуры с отличными звукоизоляционными и более высокими теплоизоляционными свойствами. Шлакоблоки весят 26–33 фунта (11,8–15,0 кг).

Легкие блоки производят заменой песка и щебня на расширенную глину, сланец или сланец. Эти материалы нагревают примерно до 2000 °F (1093 °C), заставляя их разбухать и удерживать газы. Легкие блоки весят 22–28 фунтов (10,0–12,7 кг) и обычно используются для не несущих стен и перегородок. Расширенный доменный шлак, пумит и скомиа также являются распространенными легкими материалами.

Примеси — химикаты, добавляемые в смесь — могут регулировать время застывания, увеличивать прочность или улучшать размешиваемость. Пигменты могут добавляться для однородного цвета, а обжигаемая глазурь (с термореактивным связующим, кварцевым песком и пигментами) может обеспечивать декоративные покрытия или химическую защиту.

Дизайн

Стандартизация размеров блоков обеспечивает единообразие строительства. Наиболее распространенный в США размер — блок 8×8×16, номинально 8 дюймов (20,3 см) в высоту, 8 дюймов (20,3 см) в глубину и 16 дюймов (40,6 см) в ширину. Фактические размеры блока составляют 7,63 дюйма (19,4 см) на 7,63 дюйма (19,4 см) на 15,63 дюйма (38,8 см), оставляя зазор для раствора.

Производители теперь предлагают вариации для специализированных применений. Например, влагоотталкивающий блок включает малоабсорбирующую примесь, скошенный верхний край для стока дождя и внутренние желоба, которые отводят любую протечку от внутренних поверхностей.

Блок с расщепленной гранью имеет шершавую, каменную текстуру на одной стороне, придавая вид рукотворного камня, сохраняя структурные преимущества стандартного блока.

Дом в стиле «Форсквер» из каталога Radford Architectural Company 1908 года «Цементные дома и как их строить». Проект можно было построить примерно за $2250 — значительно дешевле традиционного каменного кладки. (Из коллекций Музея Генри Форда и Гринфилд Вилладж.)

Бetonные блоки впервые появились в американском жилом строительстве в 1837 году на Статен-Айленде, Нью-Йорк. Они предложили экономичную альтернативу камню или дереву, особенно на Среднем Западе, где песок и щебень были обильны. К началу XX века дома из блоков — от Тюдор до Бунгало — стали популярны. Многие отделывали штукатуркой или другой облицовкой для имитации камня. Блоки рекламировали как огнеупорные, не подверженные грызунам и погодостойкие, и их продолжают использовать для гаражей, силосов и почтовых отделений.

Синтия Рид-Миллер

При проектировании нового блока производители должны балансировать эстетические цели с производственной осуществимостью. Сложные формы или дополнительные этапы могут увеличить затраты и снизить производительность, потенциально перевешивая выгоды от новой формы.

Процесс производства

Производство бетонных блоков проходит четыре основных этапа: замес, формовка, отвердевание и кубирование. Некоторые заводы специализируются исключительно на блоках, другие производят ряд готовых изделий. Современные объекты могут выпускать 2000+ блоков в час.

Ниже приведен типичный рабочий процесс:

Замес

• Песок и щебень хранят в кучах и конвейерами передают в бункеры по мере необходимости. Портландский цемент хранят в защищенных от влаги силосах.
• Для каждой партии точные количества песка, щебня и цемента перемещают в дозатор.
• Сухие материалы смешивают в стационарном смесителе — либо планетарном (чашечном), либо горизонтальным барабанным — в течение нескольких минут.
• Добавляют воду, возможно, предварительно нагретую или охлажденную. Вносят примеси и пигменты, затем смешивают 6–8 минут.

Формовка

• Смешанный бетон подают через наклонный ковшовый конвейер в возвышенный бункер, запуская следующий цикл замеса.
• Бетон течет в бункер блокоформирующей машины и прессуется в формы. Каждая машина может формировать до 15 блоков одновременно.
• Блоки уплотняют весом верхней головки формы, с помощью гидравлического давления или вибрации.
• Готовые блоки извлекают на стальную паллету и перемещают на цепной конвейер. В некоторых установках вращающаяся щетка удаляет осыпающийся материал с верха блоков.

Отвердевание

• Стопки блоков переносят на стеллаж для отвердевания. Когда он заполнен, стеллаж катится на рельсы и въезжает в отвердевающую печь.
• Используют два основных типа печей:
  • Печи с паром низкого давления: блоки держат 1–3 часа при комнатной температуре, затем пар постепенно повышает температуру до 150–165 °F (66–74 °C) для стандартных блоков или 170–185 °F (77–85 °C) для легких. Пар отключают, и блоки «пропарывают» 12–18 часов перед сушкой в горячем влажном воздухе. Полный цикл ≈ 24 часа.
  • Печи с паром высокого давства (автоклавы): температура достигает 300–375 °F (149–191 °C) при давлении 80–185 psi. Блоки пропарывают 5–10 часов, затем сбрасывают давление, ускоряя удаление влаги. Этот метод дает более быстрое производство при более высоких энергозатратах.

Кубирование

• После отвердевания стеллажи разгружают, паллеты возвращают в оборот, а блоки подают на цепной конвейер.
• Блоки с расщепленной гранью сначала формуют как соединенные половины; затем расщепитель ломает их для создания шершавой текстуры.
• Блоки выравнивает кубировщик и ставит в кубы (3×6×3 или 3×6×4). Кубы погрузчиками перемещают на склад.

Контроль качества

Постоянный мониторинг обеспечивает соответствие каждого блока требуемым стандартам. Сырье взвешивают электронно; влажность песка и щебня измеряют ультразвуковыми датчиками, с автоматическим регулированием добавления воды. В экстремальных климатах воду предварительно кондиционируют обогревателями или холодильниками.

Размеры блоков проверяют лазерными датчиками при выходе из формы. Во время отвердевания температуру, давление и время цикла регистрируют и контролируют для гарантии оптимальной прочности.

Будущее

Бетонные блоки продолжают эволюционировать, пока архитекторы и производители исследуют новые формы и функции. Инновации направлены на ускорение строительства, снижение затрат и повышение долговечности и энергоэффективности. Потенциальные будущие дизайны включают:

• Биаксиальные блоки — полости, идущие горизонтально и вертикально, для прокладки трубопроводов и электрических кабелей.
• Блоки-настил в три секции — образующие одновременно внутренние и внешние стены.
• Блоки теплоаккумуляции — интегрированное тепловое хранение для регулирования внутренней температуры в межсезонье.

Эти концепции демонстрировались в прототипе дома Lifestyle 2000, совместном проекте Национальной ассоциации домстроителей и Национальной ассоциации бетонного каменя.